JPH09239985A - インクジェット・プリントヘッドとインクジェット・プリントヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】インク滴を押し出す気泡生成を制御し、噴射の
遅延や量を一定にする。 【解決手段】本発明では、インク噴射チャンバとオリフ
ィスを有する本体と、本体に接続する加熱素子を備え、
加熱素子は噴射チャンバと熱的に連結しており、さら
に、輪郭が設けられる表面部分を備え、この表面部分の
一部は加熱素子と接している。輪郭が設けられる噴射チ
ャンバは複数のくぼみを有し、気泡生成過程での核生成
を促す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーマルインクジ
ェットプリンティングに関し、より詳細には、サーマル
インクジェット・プリントヘッドの加熱素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット・プリンティング機構
は、着色剤の滴をプリント可能な表面上に噴射するペン
を用いてイメージを生成する。かかる機構は、コンピュ
ータのプリンタ、プロッタ、複写機およびファクシミリ
等、広範囲の様々な用途に用いることができる。便宜
上、本発明の概念は、プリンタの環境において説明す
る。インクジェット・プリンタは典型的には、多数の独
立にアドレス指定することができる噴射ユニットを有す
るプリントヘッドを含む。各噴射ユニットは、共通のイ
ンク源と接続されたインク・チャンバおよびインク出口
ノズルまたはオリフィスを含む。チャンバ内のトランス
デューサが運動力(impetus)を与えて、インク滴がノズ
ルを通って吐出される。

【０００３】サーマルインクジェット・ペンにおいて、
トランスデューサは、チャンバ内のインクのごく一部が
急速に気化して気泡が形成されるのに十分な熱を与える
抵抗加熱素子である。この気泡が、液体のインク滴をノ
ズルから吐出させる。プリンタ出力を均一で正確にする
ためには、気泡形成のタイミング、大きさ、速度、形状
および位置ができるだけ均一であることが望ましい。異
なる噴射ユニット間でおよび１つのノズルから連続して
生じる滴の間での均一であることが望まれている。

【０００４】流体の沸騰特性に関係する均一性の問題が
ある。非均質核沸騰(heterogeneousnucleate boiling)
または気泡核形成(bubble nucleation)は、一般に、加
熱素子の表面または他の加熱される表面上の欠陥の場所
で起こる。これらの欠陥は、亀裂、不連続面および複数
の表面が角度をなして交わる縁や頂点である。非均質核
沸騰は、十分な大きさの核形成位置が存在していないと
きにさらに熱エネルギが加えられた後に起こる均質つま
り膜沸騰よりも、起こりやすい。従って、サーマルイン
クジェット・プリンティング中に起こる急速で均一性が
変動しやすい沸騰の過程で最も大きな影響を及ぼすの
は、非均質な核の形成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現存するサーマルイン
クジェット・プリントヘッドも、核形成位置を提供する
鋭角の縁部を有する単一の小さい凹部を備えるくぼみ(b
asin)を備えるように形成した加熱素子をそれぞれの噴
射チャンバに設けることによって、少なくとも部分的に
は非均質核沸騰過程を制御している。このくぼみは、そ
れぞれのオリフィスよりも小さく、各オリフィスと位置
合わせすることにより、潜在的な核形成位置がすべてオ
リフィスの開口部分の真下になるようになっている。こ
のようにすることにより、噴射チャンバによっては核形
成位置が欠如し、均質核形成を行うためにより高いエネ
ルギーが必要になるというリスクが回避される。これら
の位置をオリフィスと合わせて慎重に位置決めすること
によって、中心線からずれた意図しない欠陥によって噴
射方向の軸から外れた(off axis)滴が噴射する可能性も
少なくなる。しかし、このようにシステムを改良して
も、これまでは、性能を理想的に均一化することができ
なかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来のシステムの均一性
に関する欠点は、サーマルインクジェットにインク噴射
チャンバおよびオリフィスを有する本体を設けることに
よって、低減または克服される。電気的に活性化された
加熱素子が、噴射チャンバと熱的に連結する本体に接続
され、少なくとも加熱素子の一部と同一の広がりを有す
る輪郭のある表面部(contoured surface portions)を含
む。噴射チャンバの輪郭のある表面部は、複数のくぼみ
を有する。

【０００７】

【実施例】図１は、平坦な上側表面１４を備える堅い平
坦な基板１２を有するサーマルインクジェット・プリン
トヘッド１０を示す。基板の上側表面には、平坦な加熱
素子１６が設けられる。加熱素子１６を取り囲む基板に
は、障壁層２０が設けられており、障壁層２０は、加熱
素子の上に心合わせされた噴射チャンバ２２を画定す
る。障壁層の上面には、噴射チャンバを囲むようにオリ
フィスプレート２４が接続され、加熱素子の上に心合わ
せされたオリフィス２６が画定される。噴射チャンバ
は、少なくとも一側面に、インク供給プレナム３２によ
って供給されるインクの入口となる側面開口部３０を少
なくとも１つ有する。プリントヘッドは、加熱素子、チ
ャンバおよびオリフィスが同じように配置され、共通の
プレナムによってインクが供給される、噴射ユニットが
隣接して延長されるアレイを含む。

【０００８】図２に示すように、加熱素子１６は、基板
１２の上側表面１４の上層にありインク滴を噴射ユニッ
トから吐出しなければならない場合に加熱素子の両端に
電圧を印加する電動の制御装置（図示せず）に接続され
ている、１組の導電性アルミニウム・リード３４の間に
接続されている。

【０００９】図３に示すように、加熱素子１６は、平坦
な下側表面３６およびこれと平行な平坦な上側表面４０
を有する。加熱素子は、３層に積層されたものである。
一番下の層は、基板の上側表面１４に載置されるＴａＡ
ｌの抵抗薄膜３７である。抵抗膜の上に、電気的に絶縁
するパシベーション層３８があり、パシベーション層の
上に、機械的に保護するタンタルのキャビテーション・
バリヤ３９がある。キャビテーション・バリヤ３９は、
抵抗膜を気泡形成の応力から保護し、プリンティング中
につぶれることを防ぐ。

【００１０】複数の分離しているの四方形のくぼみ４２
が、加熱素子１６の表面の大部分を横切って延びている
アレイ内に画定される。これらのくぼみは、加熱素子の
上側表面および下側表面と平行な平坦な底面又は床４４
を有し、パシベーション層３８がくぼみ内で露出しない
ように限られた深さだけ延びている。他の実施例におい
ては、パシベーション層は露出していてもよい。それぞ
れのくぼみの周辺は、くぼみの床４４のレベルと加熱素
子の上側表面４０の間に段を提供する垂直の側壁４６に
よって画定されている。側壁４６がくぼみの床４４と交
わるところは、鋭角部または内部縁５０になっており、
上側表面４０と交わるところは、リム縁５２である。両
方の縁はともに鋭い直角であるが、この変形も以下に説
明する。実際は、エッチング工程に生来の制約があるた
めに、鋭い縁はわずかに丸みがついている。これらの鋭
い縁によって、沸騰が最も急速にすすみ、最も低いエネ
ルギにおいて起こる傾向がある核形成位置５３が提供さ
れる。さらに、くぼみの床における厚さを薄くすること
により、より抵抗膜に近くなりキャビテーション・バリ
ヤ３９を横切る熱勾配が低くなるため、より高い熱が与
えられ、下側の核形成位置５０における沸騰をさらに促
進することができる。

【００１１】好適な実施例において、くぼみ４２は格子
上に配置され、個々のくぼみは交互にチェッカー盤にな
るように配置されている。くぼみはそれぞれ、その上に
くぼみが配置されている格子のピッチと等しいかそれよ
りも小さい幅および長さを有し、それぞれのくぼみの角
において間隔が空き、隣接するくぼみの角と交差しない
ようになっている。加熱素子を基板に設けた後にくぼみ
を形成するのに用いるエッチング工程によって、上から
見て角に丸みのあるくぼみが生じるので、くぼみの幅と
同じピッチを有する格子上に配置されたくぼみ同士であ
っても分離が提供される。好適な実施例において、くぼ
みの幅は５から１０μｍの間であるが、本発明の利点
は、さらなる小型化が実現するにつれてはっきりと理解
される。図示の実施例においては１３個のくぼみが設け
られているが、他の配置においては、これよりも多くの
または少ないくぼみを設けてもよい。

【００１２】図４ないし図８は、他の加熱素子表面の輪
郭パターン(countour patterns)を示す。図４は、それ
ぞれが好適な実施例のくぼみ４２と同様の断面を有する
同心のリング型のくぼみ５６のパターンを有する加熱素
子を有する他のプリントヘッドを示す。外側リングは大
きく、それぞれのリングは、与えられた加熱素子の主要
な(major)面積に対して、かなりの長さの縁５０、５２
を有することによって、多くのくぼみの機能を果たして
多くの核形成位置を提供する。図示のパターンを、同じ
領域にわたって同様のくぼみおよびランド幅(land widt
hs)を有する渦巻き型を形成するように変更することも
可能である。かかるくぼみは、厳密な意味では複数の凹
みではないが、縁５０、５２における加熱素子およびく
ぼんでいる領域の全体の面積および長さ寸法に対する割
合が高いので、本願では「複数」と考える。。本出願に
おいては、単一の「くぼみ」またはくぼみ部分は、その
周辺の半分より多くを取り囲む縁を有する、水盤形、ポ
ケット、チャネル、溝またはそれらの部分として画定さ
れる。従って、細長いチャネルは、それぞれの長さがそ
の幅よりもわずかに長いだけの多数の個々のくぼみに分
離していると解してもよい。

【００１３】図５に示すように、他の実施例の加熱素子
は、平行なチャネル６２によって画定される長方形に配
列された個別の四方形の台地６０を有する。図４に関し
て上で触れたように、累加された台地の縁の長さは、同
じ面積の四方形、円、楕円(oblong)または同様の簡単な
形の単一の規則的なくぼみの縁の長さを累加したものよ
りもはるかに大きいので、チャネルの格子は複数のくぼ
みとみなされる。

【００１４】好適な実施例は、側壁が垂直で縦断面が長
方形のくぼみに関して説明しているが、図６、図７、図
８は他のチャネルの縦断面を示す。図６において、側壁
６４はアンダーカットされ、側壁が平坦な床４４に対し
て鋭角をなすように設けられている。鋭角の側の核形成
位置６６は、少なくとも部分的に側壁の下に配置されて
おり、核形成を向上される。側壁は、効果的であれば、
鈍角を含むいかなる量だけ垂直からずれてもよい。図７
は、図６のアンダーカットの代替例を示しており、この
例において、従来のエッチング工程によって、縦断面が
少なくとも縁において曲線状のつまり楕円形のチャネル
７０が形成される。核形成位置７２は、図６の核形成位
置と同様に配置されるが、図示のエッチング技術によっ
て上側縁５２をより鋭角にして核形成をさらに促進して
もよい。

【００１５】図８は、さらなる他の実施例を示す。本実
施例において、加熱素子の表面４０はほぼ平坦な平面で
あり、表面を横切って突出した隆起部７４が間隔をおい
て配列されている。図８の実施例の隆起部および図５お
よび図６の実施例のくぼみはすべて、上述した図１ない
し図５に示すいずれのパターンに形成してもよい。

【００１６】従来例の動作 図９Ａないし図９Ｄは、従来のサーマルインクジェット
・プリントヘッド１１０の制限を示す。プリントヘッド
１１０は、輪郭をとる表面の代わりに表面が平坦な加熱
素子を有しているということを除いては、本発明の好適
な実施例とほぼ同一に構成されている。従来のプリント
ヘッド１１０は、１組の噴射チャンバ１１２、１１４を
有する。チャンバ１１４において、加熱素子には、オリ
フィス１２２を通る中央軸１２０からでたらめにずれ
た、意図しない欠陥である亀裂１１６がある。右側の噴
射チャンバ１１４内の加熱素子にはこのような欠陥がな
い。その結果、図９Ｂに示すように、エネルギを両方の
加熱素子に同時に印加すると、まず最初に左側のチャン
バ１１２内の欠陥１１６において気泡１２４が核形成さ
れる。核形成位置がないとより高いエネルギが必要であ
るため、右側のチャンバではまだ気泡の形成が開始され
ていない。

【００１７】図９Ｃに示すように、左側の気泡１２４
は、左側のオリフィス１２２から滴１２６を追い出すこ
とを開始するのに十分なだけ成長している。一方で、右
側のチャンバ内でも気泡１３０ができているが、こちら
は、核形成位置の助けなしで気泡形成を開始するにはよ
り高いエネルギが必要なために遅れて形成されたので、
左側の気泡１２０よりも小さい。図９Ｄにおいて、左側
の滴は、気泡の位置が中心からずれていたために、軸か
ら外れた経路を通って噴射される。左側の滴１２６は、
プリント媒体（図示せず）と衝突するよう意図された位
置から、空間的に外れている。右側の滴１３２は、たま
たま軸を通って噴出されているが、その本来の位置から
は時間的に外れている。プリントヘッドがプリント媒体
の上を急速に横切ると、遅れた滴は、プリントヘッドの
経路に沿って、適時に吐出される場合にデポジットされ
るよりも予定経路からより遠く外れてデポジットされ
る。

【００１８】好適な実施例の動作 図１０Ａないし図１０Ｄに示すように、好適な実施例
は、時間的にも空間的にも滴が外れることがない。図１
０Ｂにおいて、核形成は、多くのまたは大部分のくぼみ
４２で起こる。核形成がすべての予定位置、またはすべ
てのくぼみで起こらない場合であっても、十分な数のく
ぼみおよび形成位置があるので、少なくともいくつかの
核形成位置においては素早く気泡形成が開始され、時間
的に外れることが回避される。また、位置の数が多いこ
とによって、すべての位置が核形成に効果的ではない場
合であっても、結果として生じる気泡がうまく分配され
ることが保証されて、空間的に外れることも回避され
る。くぼみの量が多く広範囲に分配されていることによ
って、核沸騰から膜沸騰への遷移が加速され、さらに均
一性が改善される。

【００１９】図１０は、大部分またはすべてのくぼみ４
２内で形成される小さな気泡８２を示す。図１０Ｄにお
いて、気泡８２はそれぞれの噴射チャンバ内で合体して
いる。結果として得られる気泡８４の表面つまり「波
面」は従来の気泡よりも平坦で、滴８６を高い信頼性で
軸を通って噴射する。平坦な波面にすることによって、
オリフィスの位置の感度が低減される。これは、球状に
膨張している気泡に関してわずかに軸がずれてオリフィ
スが位置することによってオリフィス近くのインク内に
乱流や側方流動が生成される可能性がある従来のシステ
ムよりも、改良されたところである。

【００２０】好適な実施例において、加熱素子１６全体
の厚さは約８〜１０μｍである。通常、抵抗膜３７の厚
さは０．１０μｍ、パシベーション３８の厚さは０．７
５μｍ、そしてキャビテーション・バリヤ３９の厚さは
０．６μｍである。アルミニウムのリード線３４は、厚
さが約０．７μｍであり、抵抗層とパッシベーション層
の間に配置される。典型的な用途において、隣接する噴
射ユニットは、中心において４０〜８０μｍの間隔をお
いて配置されており、それぞれのオリフィスは直径が１
０〜５０μｍであり、加熱素子の上に１４〜２５μｍの
間隔をあけて配置されている。加熱素子は、一辺が約２
０〜６０μｍの四方形であり、噴射チャンバは抵抗層よ
りも幅または直径が約１６μｍ大きい。くぼみは、抵抗
層およびその他の層のフォトイメージング(phtoimagin
g)を連続して行った後でバリヤおよびオリフィスプレー
トを付加する前にエッチングによって形成されるが、キ
ャビテーション・バリヤを次の２段階でイメージを生成
してもよい。最初に、連続した平坦な層を生成し、次
に、くぼみを規定する多孔性の層を生成する。

【００２１】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。 （実施態様１）基板を設け、基板に加熱素子を設け、第
１のレベルにある複数の第１の表面部おびこれと異なる
第２のレベルにある複数の第２の表面部を有する輪郭を
備える表面を加熱素子に形成する工程を含むインクジェ
ット・プリントヘッドの製造方法。 （実施態様２）輪郭を備える表面を形成する工程は、加
熱素子から材料を除去することを含む前項１に記載のイ
ンクジェット・プリントヘッドの製造方法。 （実施態様３）輪郭を備える表面を形成する工程は、前
記加熱素子をエッチングすることを含む前項１または２
に記載のインクジェット・プリントヘッドの製造方法。 （実施態様４）輪郭を備える表面を形成する工程は、そ
れぞれが第１の表面部と第２の表面部の間の境界を画定
する複数の縁を画定することを含む前項１ないし３のい
ずれかに記載のインクジェット・プリントヘッドの製造
方法。 （実施態様５）複数の縁を画定する工程は、縁の下に溝
が規定されるように第１の表面部にアンダーカットを施
すことを含む前項４に記載のインクジェット・プリント
ヘッドの製造方法。 （実施態様６）複数のインク噴射チャンバを画定する本
体と、前記本体は、前記各発射チャンバについて、前記
噴射チャンバから前記プリントヘッドの外側に液体を伝
達するオリフィスを画定するものであり、電気的に稼動
される複数の加熱素子とを含み、前記各加熱素子は、前
記各噴射チャンバと熱を伝達する前記本体と接続されて
おり、前記各加熱素子は、前記噴射チャンバの輪郭のあ
る表面部を画定する輪郭のある表面を有するものであ
り、前記噴射チャンバの各表面部は、第１のレベルにあ
る第１の表面部およびこれと異なる第２のレベルにある
第２の表面部のパターンを備えることを特徴とするイン
クジェット・プリントヘッド。 （実施態様７）第２の表面部が、隣接する表面部からあ
る角度ずれた縁壁部を少なくとも１つ有する縁壁で第１
の表面部と接することを特徴とする前項６に記載のイン
クジェット・プリントヘッド。 （実施態様８）壁部が隣接する表面部の少なくとも１つ
から、少なくとも９０度ずれており、縁壁部が隣接する
表面部の少なくとも１つと垂直または鋭角をなすように
なっていることを特徴とする前項６または７に記載のイ
ンクジェット・プリントヘッド。 （実施態様９）加熱素子のそれぞれが略同一の輪郭のあ
る表面パターンを有しており、均一の加熱性能が与えら
れるようになっていることを特徴とする前項６ないし８
のいずれかに記載のインクジェット・プリントヘッド。 （実施態様１０）第２の表面部が等間隔をおいて配置さ
れており規則的なを形成していることを特徴とする前項
９に記載のインクジェット・プリントヘッド。

【００２２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明では、加
熱素子の表面に複数のくぼみを設け、気泡の核が生成さ
れる位置を提供することで均一量の気泡を均一の時間で
生成することができる。したがって、一定のインク滴を
噴射することができ、プリント品質を向上させる。

【００２３】開示は好適なおよび他の実施例に関して説
明しているが、本発明はこれによって限定されることを
意図するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるインクジェット・プリ
ントヘッドの部分概略図。

【図２】図１の２−２線側断面図。

【図３】図１の２−２線拡大側断面図である。

【図４】本発明の他の実施例であるインクジェット・プ
リントヘッドの部分断面図。

【図５】本発明の他の実施例であるインクジェット・プ
リントヘッドの部分断面図。

【図６】本発明の他の実施例であるインクジェット・プ
リントヘッドの部分断面図。

【図７】本発明の他の実施例であるインクジェット・プ
リントヘッドの部分断面図。

【図８】本発明の他の実施例であるインクジェット・プ
リントヘッドの部分断面図。

【図９Ａ】従来装置の動作を説明する図。

【図９Ｂ】従来装置の動作を説明する図。

【図９Ｃ】従来装置の動作を説明する図。

【図９Ｄ】従来装置の動作を説明する図。

【図１０Ａ】図１に示される実施例の動作を説明する
図。

【図１０Ｂ】図１に示される実施例の動作を説明する
図。

【図１０Ｃ】図１に示される実施例の動作を説明する
図。

【図１０Ｄ】図１に示される実施例の動作を説明する
図。

【符号の説明】

１０：インクジェット・プリントヘッド １２：基板 １６：加熱素子 ２２：噴射チャンバ ２６：オリフィス ４２：くぼみ ５０：核形成位置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板を設け、前記基板に加熱素子を設け、
   第１のレベルにある複数の第１の表面部おびこれと異な
   る第２のレベルにある複数の第２の表面部を有する輪郭
   を備える表面を前記加熱素子に形成する工程を含むイン
   クジェット・プリントヘッドの製造方法。
2. 【請求項２】複数のインク噴射チャンバを画定する本体
   と、前記本体は、前記各発射チャンバについて、前記噴
   射チャンバから前記プリントヘッドの外側に液体を伝達
   するオリフィスを画定するものであり、電気的に稼動さ
   れる複数の加熱素子とを含み、前記各加熱素子は、前記
   各噴射チャンバと熱を伝達する前記本体と接続されてお
   り、前記各加熱素子は、前記噴射チャンバの輪郭のある
   表面部を画定する輪郭のある表面を有するものであり、
   前記噴射チャンバの各表面部は、第１のレベルにある第
   １の表面部およびこれと異なる第２のレベルにある第２
   の表面部のパターンを備えることを特徴とするインクジ
   ェット・プリントヘッド。